Canaux ioniques UE3 - Notes de cours entier PDF

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Summary

Cours entier sur les canaux ioniques dans le cadre de l'UE3 de la PACES...

Description

Un canal ionique est une protéine membranaire qui permet le passage à grande vitesse d’un ou plusieurs ions. Il existe de nombreux types de canaux ioniques. Ils peuvent être sélectivement perméables à un ion tel que le sodium, le calcium, le potassium ou l’ion chlorure, ou bien à plusieurs ions à la fois. Les canaux ioniques sont présents dans la membrane de toutes les cellules. Ils ont un rôle central dans la physiologie des cellules excitables comme les neurones ou les cellules musculaires et cardiaques. Ils jouent aussi un rôle crucial dans la physiologie des reins. Les canaux sont des facilitateurs de diffusion : ils n’influent pas sur le sens de passage des ions, uniquement dicté par la différence de potentiel électrochimique de l’ion considéré (résultant de la différence de concentration et du champ électrique.) Un canal ne peut pas transporter un ion contre ce gradient. Ce rôle est tenu par des pompes membranaires, comme la pompe sodium-potassium, qui doivent utiliser de l’énergie à cette fin. On distingue plusieurs types de canaux ioniques selon le stimulus gouvernant leur ouverture. Deux groupes sont majoritaires : •

Voltage-dépendants ou tensiodépendants : leur ouverture dépend de la modification de la polarité membranaire (exemple : canaux à sodium mis en jeu pour la propagation d’un potentiel d’action)

•

Chimio-dépendant : il s’agit de la classe des récepteurs ionotropes, dont les membres s’ouvrent en présence d’un ligand. Ces canaux participent à la construction de la synapse chimique.

I.

Généralités sur les canaux ioniques •

Propriétés et fonctions générales

-

Potentiel de membrane

-

Excitabilité

-

Neurotransmission

-

Couplage excitation contraction

-

Différenciation cellulaire (neurones, muscles)

-

Tr a n s d u c t i o n d e s si g n a u x d a n s l a communication cellulaire

-

Sécrétion

-

Excrétion

➔ Le potentiel d’action le long d’un axone est fonction de l’ouverture des canaux ioniques.

Technique qui consiste d’approcher une pipette de la membrane, isoler un canal et mesurer les courant et activités du canal, voir les flux ioniques en fonction es potentiels appliqué par l’électrode. Permet de voir si le canal est ouvert ou fermé.

Permet alors de mesurer les flux ioniques du côté intra ou extracellulaire.

•

Localisation des canaux ioniques

Membrane cytoplasmique, membrane du réticulum, membrane nucléaire…

Rappels : Une membrane permet des échanges d’ions ou de molécules entre deux compartiments : -

Par diffusion simple o

A travers la double couche phospholipidique

o

A travers des canaux ioniques

-

Par diffusion facilitée

-

Par des transports actifs o

Transport actif primaire

o

Transport actif secondaire

La concentration de chaque soluté dans les compartiments C1 et C2, à l’équilibre dépend du type de transport (si ddp = 0). -

Diffusion simple : C1 = C2

-

Diffusion facilitée : C1 = C2

-

Canal ionique : C1 = C2

-

Transport actif (1 et 2) : C1 > C2 ou C1 < C2

•

Les échanges sont bidirectionnels

•

Diffusion facilitée

•

Transport actif primaire

•

Transport actif secondaire

La pompe a sodium a besoin d’énergie, elle lutte contre un gradient. Elle possède un site de phosphorylation. La phosphorylation induit un changement de conformation et le sodium pourra être libéré dans le compartiment. Le site de liaison au potassium sera alors accessible. Le potassium va se lier, la pompe se déphosphoryle et change de conformation, le potassium sera transporté contre son gradient

Ceci est le système de transport du glucose, au niveau des entérocytes.

Les ions circulent entre les deux compartiments en fonction de leur concentration, mais aussi contre leur gradient grâce aux pompes. •

La diversité des canaux (et cible thérapeutiques)

-

Médicaments : bloqueurs / ouvreurs

•

o

Canaux sodiques (liaison d’anesthésique locaux)

o

Canaux potassiques sensible à l’ATP (liaison des sulfamides, antidiabétiques)

o

Canaux calciques (liaison des dihydropyridines, HTA)

Les flux ioniques

•

Principes de diffusion des ions à travers les canaux ioniques

1. Gradients ioniques 2. Gradient électrique 3. Gradient électro-chimique

•

Gradient chimique :

•

Gradient électrique :

Pour traverser la membrane d’une cellule, un ion est soumis à un gradient électrochimique (ou driving force en anglais), qui s’exprime par la différence entre le potentiel de membrane (Vm) de la cellule et le potentiel d’équilibre de l’ion considéré (Eion). Le flux net d’une espèce ionique au travers de ses propres canaux est proportionnel à ce gradient électrochimique. -

Si (Vm-Eion) > 0 alors le flux net est sortant.

-

Si (Vm-Eion) < 0 alors le flux net est entrant.

-

A l’équilibre, le gradient électrochimique est nul car (Vm = Eion)

•

Gradient électro-chimique

•

Différences essentielles entre transporteurs et canaux ioniques

Diffusion simple, vitesse 1000 fois plus élevée pour les canaux. •

Classification électrophysiologique des canaux ioniques

-

En fonction de la sélectivité ionique o

-

Na+, K+, Ca2+, cationiques, Cl-

En fonction du facteur contrôlant la probabilité d’ouverture o

Fuite (Na+, K+, Ca2+, Cl-) ▪

o

Potentiel de membrane

o

Ligand chimique ▪

o

II.

Exemple ENaC, canaux à 2-P, KIR et ECaC

Médiateur, second messager

Cano-récepteur

Exemples de rôle des canaux ioniques dans des fonctions cellulaires A. Dans les cellules excitables

Une cellule excitable : le neurone

Potentiel de repos ≈ -60, -70 mV, dépolarisation puis retour à la normal par une phase d’hyperpolarisation (-90 mV). C’est le reflet de l’activité ionique.

Hodgkin et Huxley (calmar) ont utilisé la tétrodotoxine : La TTX ou tétrodotoxine est une toxine qui annule la conductance au Na+. L’ion TEA ou tétraéthyl ammonium bloque le courant K+ uniquement lorsqu’il est appliqué à l’intérieur de l’axone. Le potentiel d’action : -

Potentiel de repos (-60 mV ici) dépendant du flux sortant de potassium (rétablis par les pompes), les canaux sodiques sont fermés et les canaux rectificateurs (potassiques) sont fermé. L’arrivé d’un train de stimulation : réduction de la sortie d’ion potassium et ouverture du canal sodique qui fait rentrer du sodium puis arrivée à un plateau qui permet la propagation du potentiel d’action.

-

Ensuite, lorsque le maximum est atteint, ouverture des canaux rectificateurs qui permettent la sortie de potassium ce qui diminue la différence de potentiel (falling), repolarisation de la membrane, les canaux sodium se ferment, il y a alors une hyperpolarisation et les canaux rectificateurs s’arrêtent, et la pompe sodium potassium permet un retour à la normale avec seul les canaux potassiques ouverts.

Il y a donc deux types de canaux potassiques.

•

Insuline

Si le taux de glucose augmente dans le sang, les cellules du pancréas vont avoir une concentration intracellulaire de glucose plus importante. Le glucose permettra de synthétiser plus d’ATP, l’activité ATPasique va bloquer les canaux potassiques. L’augmentation de glucose va augmenter la pression osmotique intracellulaire, et donc entrée d’eau (par les aquaporines) pour rétablir l’équilibre osmotique. Le gonflement va augmenter le diamètre de la cellule, va influencer des canaux chlore mécanodépendant. Le chlore va sortir de la cellule et entraine une dépolarisation membranaire, associée à l’arrêt des pompes à sodium (dépolarisation encore plus importante). Cela induit l’ouverture des canaux calcique voltage-dépendant, influx de calcium intracellulaire agit sur les vésicules contenant l’insuline qui seront exocytées. Ces vésicules relargue l’insuline dans le milieu sanguin. •

Sécrétion hydrominérale pulmonaire chez l’homme et la souris

Une protéine kinase suite à un influx nerveux va agir sur des canaux chlore, la phosphorylation de ces canaux permet la fuite de chlore. Il y a une fuite de potassium et une pompe sodium potassium est en activité ainsi que les aquaporines qui laissent passer l’eau. In fine, sécrétion de NaCl et KCl et eau vers la lumière pulmonaire.

III. Canalopathies A. Mucoviscidose : CFTR (Cystic Fibrosis Transmembrane conductance Regulator)

Dans la mucoviscidose, c’est le canal chlore qui est déficient.

•

Les conséquences de la mucoviscidose

La déficience liée à la protéine CFTR (canal chlore) induit un déficit du transport du chlore et lié à un déficit de transport en eau. Le mucus produit parles cellule épithélial s’appauvris en eau, il s’épaissis et devient plus visqueux, il empêche les échanges entre les cellules épithéliales et la lumière des poumons et processus respiratoire. Cet épaississement se retrouve aussi dans les autres structures ou ce canal est impliqué : foie, pancréas, intestin, organes génitaux. •

Epidémiologie

-

C’est la plus fréquente des maladies autosomiques récessives graves dans les populations d’origine européenne.

-

Soit q, la fréquence de l’allèle cftr – dans la population

-

Soit p, la fréquence de l’allèle cftr + dans la population.

-

Les 1/2500 nouveau nés touchés par la maladie correspondent à q2 : probabilité de rencontre de deux allèles cftr - soit q=1/50.

-

On peut évaluer à 2pq la fréquence de porteurs hétérozygotes à environs 1/25 (ou 4%) de la population.

Par exemple : -

II : Mauvaise synthèse, plus d’adressage à la membrane du canal chlore, la protéine sera dégradée, c’est la forme la plus courante : 2/3

-

V, VI : Atténuation des canaux chlore produit

-

III : n’est plus sensible aux phosphorylations par exemple

-

I : la plus grave, mutation non-sens.

Il peut donc y avoir une gradation de la gravité de la mucoviscidose. •

Espoirs thérapeutiques

Thérapie génique : Elle consiste à apporter le gène fonctionnel aux cellules et permettre la synthèse d’une protéine CFTR. Le gène est introduit dans les cellules grâce à des vecteurs d’origine virale (adénovirus) ou synthétique (liposomes). 26 essais ont été réalisés en Europe et aux Etats-Unis : les résultats sont encourageants mais modeste. Le gène est transféré, bien toléré, mais de manière transitoire. Obstacle à surmonter : trouver un vecteur capable d’infecter les cellules mais non détruit par le système immunitaire, et capable de transférer le gène de manière durable. Cibler les cellules que le vecteur doit atteindre. Vérifier que la technique est sans danger pour les patients et son environnement.

B.

La myasthénie Gravis

= maladie de Erb-Goldflam Maladie de la jonction neuro-musculaire Déficit moteur accentué par l’effort, amélioré par le repos. Prévalence : 5 à 10 pour 100 000. La gravité tient au risque d’accident respiratoire. Plus de femme (5 femmes pour un homme dans les formes du sujet jeune). A tout âge, début surtout entre 15 et 20 ans.

!Destruction des récepteurs de l’acétylcholine post-synaptique par des auto-anticorps.

•

Clinique :

Fatigue de fond, améliorée par le repos, aggravée par l’effort, signes variables d’un moment à l’autre. Atteinte en premier lieu de la musculature oculaire : diplopie transitoire, ptosis (déficit limité à l’atteinte oculaire dans 20 % des cas). Atteinte musculature pharynx / larynx : dysphonie, dysphagie. Muscles de la face : mimique inexpressive, ne peut pas siffler ou souffler, difficulté à mastiquer, mâchoire tombante, tête tombante aux membres : prédomine aux muscles proximaux.

•

Diagnostic

Clinique : manœuvre de Mary Walker, test au glaçon Pharmacologique : test à la prostigmine, test au tensilon Biologie : AC anti-récepteur à l’acétylcholine EMG : bloc neuromusculaire post-synaptique, décrément.

Myasthénie oculaire. Le cliche de droite (B) est pris juste après application d’un glaçon (entouré d’une compresse) sur la paupière ptôsée.

•

Traitement :

Symptomatique anticholinestérasiques

:

les

La thymectomie : résidu ou thymome (15 % des myasthénies), les immunomodulateur / suppresseurs

Cibles thérapeutiques et de toxines A.

Canaux et thérapie 1.

Anesthésiques locaux

2.

Anesthésiques généraux et sédatifs

Nav (lidocaïne, procaïne)

Récepteur GABA (barbituriques tels que phéno- et pentobarbital, benzodiazépines tel que valium mai pas le baclofène). Canaux de fuite potassique (halothane, riluzole).

3.

Antihypertenseur

4.

Diabète (sulfonylurée)

CaV (nifedipine), KIR-ATP (Cromakalim, minoxidil, Nicorandil) KIR-ATP (glibenclamide, tolbutamide)

B.

Toxines de canaux ioniques 1.

TTX et saxitoxines

Nav (intoxication aux fruits de mer) Bloqueurs Nav : -

Tétrodotoxine (bactéries de souche Vibrio fischeri, Vibrio altermonas, Vibrio alginolyticus et Pseudomonas spp).

-

Saxitoxine (dinoflagélés alexandrium spp, Gymnodinium spp, Pyrodinium spp)

Activateur Nav : -

Brévétoxine (dinoflagéllés Gymnodinium breve)

-

Ciguatoxine (dinoflagélés Gambierdiscus spp).

Il bloque entièrement les canaux sodiques ce qui entraine un bloquage de contractions musculaires/ La consommation de mollusques (moules, huîtres, bourgots, clams et même crabes) surtout de mai à septembre, peut provoquer une intoxication grave, parfois mortelle, causée par une toxine paralysante. -

PSP : paralysis shellfish poisoning, la plus connue

-

DSP : diarrheic shellfish poisoning

-

NSP : neurotoxic shellfish poisoning

-

ASP : amnesic shellfish poisoning

-

Stade 1 : paresthésies buccales suivies dans certains cas de nausées et vomissements,

-

Stade 2 : paralysie motrice des doigts et des membres,

-

Stade 3 : perte des mouvements musculaires volontaire, cyanose, hypotension, dysphagie et dysphonie. Détresse respiratoire,

-

Stade 4 : la mort survient par arrêt respiratoire. Les battements cardiaques persistent mais sont de courtes durées. Arrêt cardiaque par collapsus.

2. Dendrotoxine (Dendroaspsis angusticeps, mamba vert) et Kv, charybdotoxines (scorpions), apamine (abeille) IKCa

Espoirs thérapeutiques car peut être utilisé comme médicament. Autres toxines de canaux ioniques : -

Conus geographus (cone) : Cav type N

-

Agelenopsis Aperta (arraignée) : Cav type P/Q

-

Bungarus multicinctus (serpent) : récepteur nicotinique

-

Strychnine : récepteur glycine

-

Toxine d’algue Kaïnate produit par l’algue rouge Digenea simplex, bloqueurs de certains récepteurs ionotropiques du glutamate.

Les canaux ioniques Les canaux sodiques

Ils sont impliqués dans le potentiel d’action neuronal, cardiaque dans le nœud sinusal et dans les myocytes ventriculaires. Ce sont des canaux voltages dépendants. Ils sont constitués de plusieurs sous unités : α, β1, β2. Les sous unités α possèdent 4 domaines avec 6 passages transmembranaires. Les sous unités β possèdent un seul passage transmembranaire. Les boucles intracellulaires contiennent des sites de régulation par phosphorylation. Le troisième domaine de la sous-unité α possède des segments détecteurs de changement des potentiels de membranes, sensible au voltage. L’ensemble formera un pore laissant passer l’ion Na+ en fonction des conditions de phosphorylations et des conditions de différence de potentiel.

Il existe plusieurs canaux sodiques. En fonction du tissu, répartition spécifique de ces canaux sodiques. Des mutations de ces canaux sodique affectent en premier les organes ou ils sont le plus exprimés. Les toxines et cibles thérapeutiques qui agissent sur ces canaux avec une affinité différentes selon les isoformes, agissent plus fortement en fonction de la localisation. On peut donc développer des médicaments qui ciblent qu’un seul type de canaux sodique et avoir une action, par exemple, uniquement au niveau cardiaque.

En 3D, les sous-unités α s’organisent en un canal, contenant en son centre un filtre de sélection. Selon le potentiel de membrane, ouverture ou non du pore de sélection.

En 2D : chaque sous-unité peut être à l’état de repos ou activé, individuellement.

Si une seule sous unité est dans la bonne conformation, cela ne suffit pas pour avoir un canal ouvert. Toutes les sous-unités sensibles au voltage doivent être dans la bonne conformation pour que le canal soit ouvert. Une fois activé, les canaux passent par un stade inactif, ils ne peuvent pas être réactivé immédiatement.

-

On impose une différence de potentiel à travers une portion de membrane (on étudie alors un seul canal). A chaque nouvelle stimulation, la réponse sera de plus en plus impartielle.

C’est la somme de tous les états des canaux sodiques ouvert à un instant t, qui donne la courbe d’activation globale d’un flux sodique dans la cellule.

Trois états : OUVERT – FERME INACTIVE – FERME AU REPOS -

Pharmacologie des Nav : o

•

Anesthésiques locaux : la lidocaïne (Xylocaïne®)

Cibles et mécanismes d’action :

Bloqueurs Nav des neurones périphériques (Nav 1,7) Site de liaison intracellulaire (S6 domaines I, III, IV) ➔ Accès au site de liaison par le canal ouvert stabilisent l’état fermé / inactivé

FERMÉ mais activable

➔ Retardement le retour à l’état de repos (fermé, activable) ➔ Diminution de propagation de l’influx nerveux •

Faible sélectivité

Liaison à d’autre cibles que Nav (utilisé principalement en local)

Les canaux potassiques

Grande variabilité et nombre d’isoforme :

OUVERT activé

FERMÉ inactivé

•

Les canaux potassique KATP

Ils possèdent 4 canaux à inversion de courant Kir et entouré de 4 SUR pour former un hétéro-octamère.

Ce sont des cibles thérapeutiques, et ils sont impliqués dans des mécanismes d’exocytose ou de sécrétion.

-

Classe pharmacothérapeutique : sulfamide hypoglycémiant, antidiabétique oral… le glibenclamide, sulfonylurée de seconde génération semble diminuer la glycémie par stimulation de la libération d’insuline par le pancréas…

Les canaux calciques -

Localisation : membrane plasmique

-